Материалы для электронной промышленности: электропроводность и паяемость

Медные сплавы в электронике выбирают по связке «проводимость — упругость — релаксация — паяемость»: контакту нужна пружинность и стабильное усилие, шине — максимум проводимости, выводной рамке — проводимость вместе с теплостойкостью. Под каждую функцию работает своя марка: бериллиевая бронза на пружинящие контакты, оловянно-фосфористая на клеммы, хромциркониевая на выводные рамки и теплоотвод, бескислородная медь на токоведущие узлы и СВЧ. Ниже — какие требования предъявляет электроника, какой сплав закрывает каждую задачу, как читать проводимость в % IACS и паяемость и в каких формах СМ поставляет эти материалы с УЗК-контролем.

Требования электронной промышленности к материалам

Электронный узел нагружает материал сразу по нескольким осям, и вес каждой зависит от того, что деталь делает. Четыре требования определяют выбор.

Электропроводность. Её меряют в процентах от эталонной меди — % IACS (International Annealed Copper Standard, 58 МСм/м = 100%). Для токоведущей шины или СВЧ-узла нужен максимум, 100% IACS и выше; для пружинящего контакта проводимость вторична, там дело определяет упругость, и падение до 20−30% IACS допустимо.

Упругость. Контакт, ламель, пружина разъёма работают на многократный упругий прогиб без остаточной деформации. Здесь дело определяют предел упругости и модуль — способность держать усилие прижима при тысячах циклов сочленения; разовый предел прочности вторичен. Бериллиевая бронза даёт предел упругости в разы выше, чем чистая медь или латунь.

Релаксация напряжений. Контакт, поджатый к ответной части, со временем и при нагреве «расслабляется» — усилие прижима падает, растёт переходное сопротивление, узел греется. Стойкость к релаксации определяет, сколько лет контакт держит расчётное усилие при рабочей температуре. По этому параметру бериллиевая и хромциркониевая бронзы заметно опережают оловянные.

Паяемость. Вывод, клемму, шину припаивают к плате или проводу, и припой должен смачивать поверхность без агрессивных флюсов. Медь и оловянные бронзы паяются хорошо; бериллиевая бронза несёт на поверхности стойкий оксид бериллия и требует лужения или гальванического покрытия (олово, никель, золото) под пайку.

Ни один сплав не выигрывает по всем четырём осям сразу: высокая упругость идёт в паре с низкой проводимостью, максимальная проводимость — с низкой прочностью. Поэтому марку выбирают под ведущее требование конкретной детали.

Сплавы по функциям

Таблица связывает функцию изделия с маркой и её ведущим свойством. Это отправная точка подбора; окончательную марку и состояние поставки технолог уточняет под ток, температуру и способ монтажа.

Бериллиевая бронза CuBe2 (БрБ2, AERIS 1345). Дисперсионно-твердеющий сплав меди с бериллием 1,9−2,2%. После закалки и старения даёт предел прочности 1100−1300 МПа и высокий предел упругости при проводимости 22−28% IACS. Это основной материал для пружинящих контактов, разъёмов и соединителей, где нужны большое усилие прижима, ресурс на десятки тысяч сочленений и стойкость к релаксации при нагреве до 200−250 °C. Российский аналог CuBe2 и C17200 — БрБ2, в линейке СМ марка AERIS 1345.

Оловянно-фосфористая бронза CuSn6 (БрОФ6,5−0,15). Олово около 6%, фосфор 0,1−0,35% как раскислитель и упрочнитель. Предел прочности 350−700 МПа в зависимости от состояния поставки, проводимость 13−18% IACS. Держит хорошую пружинность и паяется без подготовки поверхности, а стоит заметно дешевле бериллиевой бронзы. Отсюда её место: пружины, клеммы, контактные лепестки и ламели средней нагрузки, где нет требований к предельному усилию и релаксации. Нормируется ГОСТ 5017–2006 на оловянные бронзы, обрабатываемые давлением.

Хромциркониевая бронза CuCr1Zr (БрХЦр, AERIS 1330). Хром около 1%, цирконий около 0,1%. Сочетает проводимость 80−85% IACS с прочностью 400−500 МПа после термообработки и рабочей температурой до 400 °C. Такое сочетание проводимости и теплостойкости нужно выводным рамкам (lead frame) корпусов микросхем, силовым контактам и теплоотводам, где деталь одновременно проводит ток, отводит тепло и не разупрочняется при нагреве. Прямой аналог CuCr1Zr и C18150, в СМ — AERIS 1330.

Бескислородная медь М0б (Cu-OF). Медь чистотой от 99,97% с кислородом до 0,001%, проводимость 100−101% IACS. Отсутствие закиси меди Cu₂O по границам зёрен даёт вакуумную плотность и стойкость к пайке в водороде без растрескивания. Её ставят на токоведущие шины, волноводы, резонаторы, корпуса СВЧ-приборов и теплоотводы, где важны предельная проводимость и чистота. Нормируется ГОСТ 859–2014, международный эквивалент — Cu-OF (C10200).

Латунь. Медно-цинковый сплав по ГОСТ 15 527–2004. Проводимость 26−28% IACS у ходовых Л63 и ЛС59−1, зато отличная обрабатываемость резанием и низкая цена. Идёт на детали, где проводимость не главное: декоративные накладки, крепёж, корпуса разъёмов, экраны, контактные стойки под винт.

Проводимость, упругость и паяемость: как читать параметры

Три свойства из названия темы связаны обратной зависимостью, и понимание этой связки закрывает половину ошибок подбора.

Проводимость. Чем больше в меди легирующих элементов в растворе, тем сильнее рассеиваются электроны и тем ниже % IACS. Поэтому предельно проводит чистая бескислородная медь, а высокопрочная бериллиевая бронза с 2% бериллия опускается до 22−28%. Хромциркониевая бронза — исключение: хром и цирконий после старения уходят в дисперсные выделения, освобождают решётку меди и возвращают проводимость к 80−85% при заметной прочности.

Упругость и релаксация. Для контакта дело определяет способность держать усилие прижима годами; разовый предел прочности вторичен. Бериллиевая бронза лидирует: высокий предел упругости плюс лучшая в ряду стойкость к релаксации при нагреве. Хромциркониевая держит усилие при высоких температурах за счёт теплостойкости. Оловянно-фосфористая занимает середину — её пружинности хватает для массовых клемм, но при длительном нагреве усилие она теряет быстрее.

Паяемость. Медь и оловянные бронзы смачиваются припоем без подготовки, поэтому CuSn6 и лужёную медь паяют обычными флюсами. Бериллиевая и хромциркониевая бронзы несут стойкий поверхностный оксид, и под надёжную пайку их лужат оловом либо покрывают никелем и золотом гальванически. Для разъёмных контактов покрытие решает и вторую задачу — держит низкое переходное сопротивление, которое не растёт от окисления.

Практический вывод: сначала определяют ведущее свойство детали, затем берут марку из верхней части ряда по проводимости или из нижней по упругости и достраивают недостающее покрытием.

Международные аналоги ключевых марок

Снабженцы и конструкторы ищут материал по импортным обозначениям, поэтому ниже — проверенные соответствия для четырёх рабочих пар. В таблицу внесены только эквиваленты, подтверждённые по стандарту.

Уточнение по американской системе: для меди и бронз действует обозначение UNS вида C-XXXXX (C17200, C18150, C10200), а не AISI — её применяют к сталям. Для латуни готового аналога AERIS нет, марку подбирают по ГОСТ 15 527–2004 под конкретную деталь.

Как выбрать сплав под задачу

Подбор идёт от функции детали к ведущему свойству, а не от наличия марки на складе.

• Нужны большое усилие прижима и ресурс на десятки тысяч сочленений — бериллиевая бронза CuBe2 (БрБ2, AERIS 1345). Пружинящие контакты, силовые разъёмы, ответственные ламели. Под пайку заложить лужение или гальванику.
• Массовая клемма или пружина без предельных требований — оловянно-фосфористая CuSn6. Паяется без подготовки, стоит дешевле, пружинности хватает для большинства соединителей.
• Деталь проводит ток и отводит тепло, работает под нагревом — хромциркониевая CuCr1Zr (БрХЦр, AERIS 1330). Выводные рамки, силовые контакты, теплоотводы; проводимость 80−85% IACS с прочностью до 400 °C.
• Токоведущая шина, СВЧ- или вакуумный узел — бескислородная медь М0б (Cu-OF). Максимум проводимости, чистота, пайка в водороде без водородной болезни.
• Проводимость не критична, важны обработка и цена — латунь по ГОСТ 15 527–2004. Крепёж, корпуса, декоративные и экранирующие детали.

Два уточнения из практики. Первое: состояние поставки меняет прочность одного сплава в 2−3 раза, поэтому под пружинящую деталь заказывают конкретное состояние (нагартованное или закалённо-состаренное), а не «марку вообще». Второе: паяемость бериллиевой и хромциркониевой бронз решается покрытием — его вид и толщину согласуют отдельно, под способ монтажа.

Формы и поставка (СМ, УЗК)

Электронные детали — это в основном тонкий прокат, поэтому основные формы поставки таковы:

• Лента и полоса — под штамповку контактов, ламелей, выводных рамок, клемм. Толщины от сотых долей миллиметра; ленту бериллиевой бронзы нормирует ГОСТ 15 836–79, бронзовую ленту общего назначения — ГОСТ 1789–70.
• Проволока — под навивку пружин, штырьевые контакты, выводы; для бериллиевой бронзы — ГОСТ 16 130–90.
• Фольга — под гибкие шлейфы, экраны, основу плёночных нагревателей; медную фольгу и тонкий прокат нормирует ГОСТ 1173–2006.
• Прутки и профили — под точёные контактные стойки, втулки, детали разъёмов.

Состояние поставки задают под функцию: мягкое (отожжённое) под гибку и глубокую вытяжку, нагартованное или закалённо-состаренное под пружинящие детали. По нашей практике для пружинящих контактов из БрБ2 берут ленту в закалённо-состаренном состоянии, для клемм из CuSn6 — нагартованную полосу.

Со стороны контроля каждая партия проходит ультразвуковой контроль на внутренние дефекты с выдачей сертификата, где указаны марка, фактический химсостав и механические свойства; при несоответствии — замена партии за счёт СМ. Соответствие ГОСТ 18 175–78 для бронз и ГОСТ 859–2014 для меди подтверждается сертификатом на русском языке. СМ работает как внешний отдел снабжения и R&D: закрывает малотоннажные и дефицитные позиции для электроники, от которых отказываются заводы-гиганты, и изготавливает детали по чертежам заказчика со сроком 2−4 недели вместо 14+ у параллельного импорта.

Заключение

Материал для электронного узла выбирают по ведущей функции детали. Пружинящим контактам и разъёмам нужна бериллиевая бронза CuBe2 (БрБ2, AERIS 1345) с пределом упругости при 1100−1300 МПа; массовым клеммам и пружинам — оловянно-фосфористая CuSn6 с хорошей паяемостью; выводным рамкам и теплоотводам — хромциркониевая CuCr1Zr (AERIS 1330) с проводимостью 80−85% IACS и теплостойкостью до 400 °C; токоведущим шинам и СВЧ-узлам — бескислородная медь М0б со 100−101% IACS; декору и крепежу — латунь. Проводимость, упругость и паяемость связаны обратной зависимостью, поэтому недостающее свойство достраивают состоянием поставки и покрытием.

Технологи СМ подбирают марку, состояние и форму под конкретный контакт, разъём или теплоотвод и подтверждают состав и свойства сертификатом с УЗК-контролем партии.

Статью подготовили

Автор: Сергей Ковриго

Эксперт в области: медные сплавы для электронной промышленности

Редактор: Роман Отроков

Эксперт в области: металлургия цветных сплавов

Технолог «Специальные Материалы»